微通道冷卻裝置製造方法
2023-12-05 11:43:01
微通道冷卻裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供了微通道冷卻裝置。該微通道冷卻裝置包括：冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料製備而成，發熱器件貼合於該冷卻裝置本體的外表面；以及若干條的微通道，形成於冷卻裝置本體內，該若干條微通道中每一條微通道的一端連接冷卻工質的入口，另一端連接冷卻工質的出口；其中，冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經過訓練，處於預設溫度以上時微通道的水力直徑大於處於預設溫度以下時微通道的水力直徑。在較高的熱流密度條件下，本實用新型微通道冷卻裝置中經過訓練的鎳鈦形狀記憶合金內微通道的水力直徑擴大1％-20％，增加微通道內工質的質量流速，從而提高臨界熱流密度的數值。
【專利說明】微通道冷卻裝置
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種電子器件散熱【技術領域】，尤其涉及一種微通道冷卻裝置。
【背景技術】
[0002]隨著電子器件性能和集成度的增加，電子器件的功耗在不斷的上升，尺寸在逐步減小，因此其發熱熱流密度在急劇上升，甚至達到了 lOOW/cm2以上的量級，這已經成為制約電子器件向高性能發展的瓶頸。在這種熱流密度條件下，採用傳統的風冷和水冷的方式由於取熱熱流密度有限(一般風冷的取熱熱流密在lW/cm2以下，水冷的取熱熱流密能夠達到50-100ff/cm2)，已經很難高效的從電子器件表面取熱，並高效的釋放到環境中，因此解決高熱流密度電子器件的散熱問題已成為非常迫切的要求。
[0003]近些年國內外對相變傳熱微通道的試驗和理論分析工作發現流體在小水力直徑微通道中產生了一系列複雜的流動傳熱行為，極大地影響了微通道散熱器件的傳熱特性，證實了其具有高熱流密度的傳熱特性，採用相變傳熱微通道的取熱能力能夠達到lOOW/cm2以上的量級，充分說明該技術在電子器件散熱方面具有廣闊的前景。
[0004]圖1為現有技術採用微通道作為取熱部件的電子器件冷卻結構示意圖。請參照圖1，電子器件所產生的熱量通過微通道內的冷卻工質帶走。對於有相變的微通道內流動換熱，微通道中的臨界熱流密度現象不同於常規通道。在達到臨界熱流密度之前，微通道的流動和傳熱主要是周期性的過冷流動沸騰，從微通道逸出的汽泡和進入微通道的液體反覆交替衝刷微通道，一旦達到臨界熱流密度，微通道中的流動和傳熱將逐步演變成一個蒸汽周期性逸出的過程，持續到過熱蒸汽的出現，直到最後整個微通道被過熱蒸汽阻塞。由此說明，微通道內的氣泡對流體影響很大，微通道中臨界熱流密度的產生是由於微通道產生了蒸汽堵塞，而導致微通道內發生乾涸。進一步通過文獻研究發現，臨界熱流密度的出現很大程度上取決於微槽道內的工質質量流速，微通道的長度和直徑等，隨著管徑的增大和質量流速的上升，臨界熱流密度均有所提高。
[0005]在實現本實用新型的過程中， 申請人:發現現有技術存在如下技術缺陷:微通道在達到臨界熱流密度時會產生蒸汽堵塞微通道，微通道內發生乾涸，導致微通道散熱系統失效。目前採用銅或鋁等高導熱的金屬作為基體材料加工微通道的尺寸都是根據預先設計的電子器件的負荷確定的，這樣無法根據熱流密度的大小改變微槽道的尺寸，從而調節微通道內工質的流量，因此一旦達到臨界熱流密度，將會產生蒸汽堵塞通道使電子器件燒毀。
實用新型內容
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]鑑於上述技術問題，本實用新型提供了一種採用形狀記憶合金作為基體的微通道冷卻裝置，以提高微通道臨界熱流密度。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]本實用新型微通道冷卻裝置包括:冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料製備而成，發熱器件貼合於該冷卻裝置本體的外表面；以及若干條的微通道，形成於冷卻裝置本體內，該若干條微通道的一端連接冷卻工質的入口，另一端連接冷卻工質的出口 ；其中，冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經過訓練，處於預設溫度以上時微通道的水力直徑大於處於預設溫度以下時微通道的水力直徑。
[0010]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，與處於預設溫度以下時微通道橫截面的尺寸和/或形狀相比，處於預設溫度以上時微通道橫截面的尺寸和/或形狀發生變化，以實現水力直徑的增加。
[0011]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為圓形；處於預設溫度以上時微通道圓形橫截面的直徑較處於預設溫度以下時微通道圓形橫截面的直徑增加1% -20%。
[0012]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或稜形；與處於預設溫度以下時微通道橫截面的形狀相比，處於預設溫度以上時微通道橫截面形狀發生變化，以實現水力直徑的增加。
[0013]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為四邊形；處於預設溫度以下時，該四邊形的各條邊朝向內側收縮；處於預設溫度以上時，該四邊形的各條邊呈直線或朝向外側鼓起。
[0014]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為三角形；處於預設溫度以下時，該三角形的各條邊呈直線形；處於預設溫度以上時，該三角形的各條邊向外側鼓起。
[0015]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，處於預設溫度以下時微通道水力直徑介於10 μ m?1000 μ m之間。
[0016]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
[0017]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，冷卻裝置本體為長方體形、稜柱形或月牙形。
[0018]優選地，本實用新型微通道冷卻裝置中，預設溫度以上為50°C?100°C，預設溫度以下為25°C?50°C。
[0019](三)有益效果
[0020]本實用新型微通道冷卻裝置採用形狀記憶合金代替目前基底材料常用的銅或鋁等來製作微通道，將該形狀記憶合金微通道經過訓練，在較高的熱流密度條件下，經過訓練的鎳鈦形狀記憶合金內微通道的水力直徑擴大1% -20%，增加微通道內工質的流速，從而提高臨界熱流密度的數值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為現有技術採用微通道作為取熱部件的電子器件冷卻結構示意圖
[0022]圖2為根據本實用新型實施例微通道冷卻裝置的結構示意圖；
[0023]圖3A和圖3B分別為圖2所示微通道冷卻裝置中微通道在低熱流密度和高熱流密度的橫截面形狀；[0024]圖4A和圖4B分別為根據本實用新型另一實施例微通道冷卻裝置中微通道在低熱流密度和高熱流密度的橫截面形狀。
[0025]【本實用新型主要元件符號說明】
[0026]100-冷卻裝置本體；200_微通道。
【具體實施方式】
[0027]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本實用新型的保護範圍。
[0028]本實用新型是根據形狀記憶合金經過訓練後，在達到一定的溫度條件時，可改變原有形狀的記憶效應，設計一種微通道結構，實現在接近臨界熱流密度時，微通道的水力直徑能夠增加，提高微通道內工質的流量，從而增加臨界熱流密度的數值，由此提高大功率高熱流密度器件的熱管理水平。
[0029]在本實用新型的一個示例性實施例中，提供了一種微通道冷卻裝置。圖2為根據本實用新型實施例微通道冷卻裝置的結構示意圖。請參照圖2，本實施例微通道冷卻裝置包括:冷卻裝置本體100，由鎳鈦系形狀記憶合金材料製備而成，發熱器件貼合於該冷卻裝置本體的外表面；以及 若干條的微通道200，形成於冷卻裝置本體100內，該若干條微通道的一端連接冷卻工質的入口，另一端連接冷卻工質的出口。其中，所述冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經過訓練，處於預設溫度以上時所述微通道的水力直徑大於處於預設溫度以下時所述微通道的水力直徑。
[0030]以下對本實施例微通道冷卻裝置的各個組成部分進行詳細說明。
[0031]本實施例中，冷卻裝置本體100為長方體形,其材質為鎳鈦系形狀記憶合金,但本實用新型並不以此為限。該冷卻裝置本體100可以是具有一貼合發熱器件的外表面(包括平滑表面或圓滑表面)的任意形狀，例如:稜柱形、稜錐形、月牙形等等。此外，其他的形狀記憶合金材料，例如:鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金等等也可以應用到本實用新型中。
[0032]需要說明的是，對於上述形狀記憶合金的每一種，合金中相應組分和含量均為已知的。由於本實用新型只是涉及利用形狀記憶合金來加工，而未涉及形狀記憶合金材料的任何改進，此處不再對各種形狀記憶合金材料的成分進行詳細說明(http://baike.baidu.com/link ? url = pRw7MEJKRj_qfBYl Y7hp_p_RkEV-TVvBTsku3k7KMC-SVmCPCk_QWU8EvQ_3ElR9)。
[0033]在冷卻裝置本體100內，採用電火花技術或雷射技術加工有若干條的微通道200。該微通道的直徑在10-1000 μ m之間。在該尺度範圍內的微通道能夠利用微尺度效應，產生一系列複雜的流動傳熱行為，相對於毫米和釐米量級的常規尺度通道，位於該直徑範圍內的微通道的取熱能力能夠大幅度的提高。[0034]請參照圖2，本實施例中，微通道橫截面的形狀為圓形。該冷卻裝置本體經過訓練，在低熱流密度條件下，即在25 °C~50°C時，微通道圓形橫截面的水力直徑介於ΙΟμπι-ΙΟΟΟμπι之間；在501:~100°C時微通道的水力直徑增加1% -20%。對微通道進行訓練的過程有很多種，並且均已被本領域技術人員所熟知。其中最為典型的一種為將具有微通道的形狀記憶合金材料的冷卻裝置本體重複的放入冷熱環境中進行收縮和膨脹，經過多次重複之後，該微通道自然而然就具有了上述性質。
[0035]本實施例中，若干條微通道共用一條冷卻工質管路。若干條微通道的一端連接冷卻工質的入口，另一端連接冷卻工質的出口。該冷卻工質可以採用較高汽化潛熱的水、乙醇
坐寸ο
[0036]除了上述通過微通道橫截面尺寸發生變化引起微通道水力直徑變化的方式之外，本實用新型中還可以通過微通道橫截面形狀的變化來實現水力直徑的增加。
[0037]在本實用新型的另一個示例性實施例中，微通道的橫截面形狀為四邊形。該四邊形的邊長在ΙΟμL?-ΙΟΟΟμπ?範圍內。在低熱流密度條件下，該四邊形的各條邊朝向內側收縮，如圖3Α所示，銳利的邊角更利於形成液膜彎月面，利於小流量下提高換熱係數。當熱負荷增加時，該四邊形的各條邊朝向外側鼓起，如圖3Β所示，通過變形擴大水力直徑，減少阻力，利於大流量液體通過，提高冷卻能力。
[0038]在本實用新型的再一個示例性實施例中，微通道的橫截面形狀還可以是三角形。該三角形的邊長在10μπι-1000μπι範圍內。在低熱流密度條件下，該三角形的各條邊呈直線狀，如圖4Α所示，利於小流量下提高換熱係數。當熱負荷增加時，該三角形的各條邊朝向外側鼓起，通過變形擴大水力直徑，如圖4Β所示。
[0039]本實施例中，冷卻裝置本體的外表面緊貼在電子器件的外表面，電子器件的熱量通過鎳鈦形狀記憶合金傳遞給微通道內的冷卻工質。在較低熱流密度條件下，這時微通道器件的溫度一般在25°C~50°C，微通道逸出的汽泡和進入微通道的液體反覆交替衝刷微通道，高效的帶走電子器件的熱量。在較高的熱流密度條件下，這時電子器件的發熱熱流密度已經接近於微通道的臨界熱流密度，微通道器件的溫度在50°C~100°C的範圍，此時經過訓練的鎳鈦形狀記憶合金內微通道的水力直徑擴大1% _20%，微通道的流動阻力減小，增加了微通道內工質的流速，從而提高臨界熱流密度的數值。這種方法契合了文獻中研究發現的隨著水力直徑的增大和質量流速的上升，臨界熱流密度均有所提高的結果。
[0040]至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本實用新型微通道冷卻裝置有了清楚的認識。
[0041]此外，上述對各元件和方法的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0042](I)除了水、乙醇等冷卻介質之外，還可以採用其他冷卻介質，如氟利昂；
[0043](2)微通道橫截面形狀除了四邊形和三角形之外，還可以為其他形狀，例如五邊形、六邊形、稜形等。
[0044]綜上所述，本實用新型利用隨著管徑的增大和質量流速的上升，臨界熱流密度有所提高的理論，充分利用低熱流密度的微尺度效應，強化微通道的取熱能力，而在接近臨界熱流密度時，微通道的水力直徑擴大，流動阻力減小，工質的質量流速增加，從而進一步提高臨界熱流密度的數值。[0045]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種微通道冷卻裝置，其特徵在於，包括: 冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料製備而成，發熱器件貼合於該冷卻裝置本體的外表面；以及 若干條的微通道，形成於所述冷卻裝置本體內，該若干條微通道的一端連接冷卻工質的入口，另一端連接冷卻工質的出口； 其中，所述冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經過訓練，處於預設溫度以上時所述微通道的水力直徑大於處於預設溫度以下時所述微通道的水力直徑。
2.根據權利要求1所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，與處於預設溫度以下時所述微通道橫截面的尺寸和/或形狀相比，處於預設溫度以上時所述微通道橫截面的尺寸和/或形狀發生變化，以實現水力直徑的增加。
3.根據權利要求2所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述微通道的橫截面形狀為圓形； 處於預設溫度以上時所述微通道圓形橫截面的直徑較處於預設溫度以下時所述微通道圓形橫截面的直徑增加1% _20%。
4.根據權利要求2所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述微通道的橫截面形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或稜形； 與處於預設溫度以下時所述微通道橫截面的形狀相比，處於預設溫度以上時所述微通道橫截面形狀發生變化，以實現水力直徑的增加。
5.根據權利要求4所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述微通道的橫截面形狀為四邊形； 處於預設溫度以下時，該四邊形的各條邊朝向內側收縮；處於預設溫度以上時，該四邊形的各條邊呈直線或朝向外側鼓起。
6.根據權利要求4所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述微通道的橫截面形狀為三角形； 處於預設溫度以下時，該三角形的各條邊呈直線形；處於預設溫度以上時，該三角形的各條邊向外側鼓起。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，處於預設溫度以下時所述微通道水力直徑介於10 μ m?1000 μ m之間。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述冷卻裝置本體為長方體形、稜柱形或月牙形。
10.根據權利要求1至6中任一項所述的微通道冷卻裝置，其特徵在於，所述預設溫度以上為50°C?100°C，所述預設溫度以下為25°C?50°C。
【文檔編號】H05K7/20GK203734990SQ201420064149
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2014年2月13日
【發明者】姜玉雁, 王濤, 唐大偉 申請人:中國科學院工程熱物理研究所